細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀膠結(jié)砂土影響因素綜述

王琨戈　白振超

摘 要：微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（MICP）技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，其中，以尿素為底物，利用巴氏芽孢桿菌等所產(chǎn)成脲酶催化的尿素水解反應(yīng)，由于其反應(yīng)副產(chǎn)物少、原理簡單、材料易得、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已進(jìn)行較多試驗(yàn)研究。本文綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)，從沉淀效率（以碳酸鈣產(chǎn)率為指標(biāo)）和膠結(jié)效果（以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)）兩方面，對反應(yīng)影響因素進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：MICP；巴氏芽孢桿菌；影響因素

1 引言

隨著城市快速發(fā)展，可用建筑土地日漸縮減，原位加固技術(shù)成為關(guān)注重點(diǎn)之一。MICP技術(shù)可用于混凝土裂縫、古建筑的修復(fù)、軟弱土層加固及污染土處理等眾多領(lǐng)域，且具備擾動(dòng)性小、污染性小、可塑性高等優(yōu)點(diǎn)。

作為一種多學(xué)科交叉的新型土體加固技術(shù)，細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀膠結(jié)砂土的強(qiáng)度也受到多方面因素的影響。從固結(jié)機(jī)理出發(fā)，本文將其分為沉淀效率和膠結(jié)效果兩個(gè)方面，其中，以是否有微生物參與為標(biāo)準(zhǔn)，又可將碳酸鹽沉淀的過程，分為化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)兩部分，化學(xué)反應(yīng)主要受到膠結(jié)溶液（尿素和鈣源溶液）濃度及鈣源種類的影響，生物反應(yīng)中脲酶活性最為關(guān)鍵。膠結(jié)作用效果則與土體孔隙率和灌漿方式有關(guān)。

2 MICP原理簡介

MICP技術(shù)主要是利用生物礦化，即微生物活動(dòng)中生產(chǎn)一些結(jié)晶和非結(jié)晶的無機(jī)化合物的過程，產(chǎn)出的無機(jī)化合物填充和膠結(jié)巖土材料。其功能類似水泥，故又稱為生物水泥。根據(jù)礦化過程作用微生物的不同，MICP可分為尿素水解過程、反硝化過程及硫還原過程等，其中，以尿素水解過程原理最為簡單、易于控制，故得到了最為廣泛的實(shí)踐與應(yīng)用。

以尿素水解為核心的固結(jié)過程主要分為兩步，第一步是微生物參與的生物反應(yīng)，即尿素水解過程。細(xì)菌產(chǎn)生的脲酶催化尿素水解，在堿性環(huán)境中生成銨根離子和碳酸根。化學(xué)方程式如下：

第二步是化學(xué)反應(yīng)，可溶性溶液（如CaCI2、Ca（NO3）2）中的鈣離子因細(xì)胞壁表面所帶的負(fù)電荷吸附于尿素水解細(xì)胞上，并與水解產(chǎn)生的碳酸根離子結(jié)合，形成碳酸鈣晶體的結(jié)晶核，反應(yīng)方程式如下：

隨著反應(yīng)進(jìn)行，碳酸鈣晶體逐漸累積，在土顆粒之間起到填充和膠結(jié)的作用，改變土體性質(zhì)。

3 沉淀效率影響因素

MICP過程中變量很多，包括細(xì)菌濃度、尿素濃度、反應(yīng)溫度、PH值、鈣源種類、鈣離子濃度等。在本文將尿素和鈣源溶液的混合液統(tǒng)稱為膠結(jié)溶液，且默認(rèn)兩者比值為1：1。

合適的濃度對于沉淀效率的高低至關(guān)重要。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王博和中國地質(zhì)大學(xué)的趙茜分別利用巴氏生孢八疊球菌和巴氏芽孢桿菌對此均進(jìn)行了研究，并得出了相似的結(jié)論。當(dāng)尿鈣濃度在0—1.5M時(shí)，碳酸鈣產(chǎn)率隨著濃度的增加不斷增長，并且產(chǎn)率均保持在80%以上，超過1.5M后，碳酸鈣產(chǎn)率大幅降低，王博認(rèn)為此時(shí)尿素濃度的增加已經(jīng)不能抵消鈣離子對細(xì)菌活性的抑制。為取得最高的碳酸鈣產(chǎn)率，可以將膠結(jié)溶液濃度取在0.25—1.5M之間。

東南大學(xué)的孫瀟昊等人對鈣源種類的影響也進(jìn)行了探究，控制PH值為6，膠結(jié)溶液分為為0.3M和0.5M，鈣源溶液分別為氯化鈣和醋酸鈣，加入0.5M膠結(jié)溶液的碳酸鈣產(chǎn)率均大于相應(yīng)膠結(jié)溶液濃度為0.3M的對照，其中醋酸鈣的沉淀誘導(dǎo)效率均遠(yuǎn)高于氯化鈣，后續(xù)實(shí)驗(yàn)同樣固結(jié)效果良好。

4 膠結(jié)砂土作用效果影響因素

4.1 孔隙率和孔隙比

將固化砂土與巖石進(jìn)行類比，如果說碳酸鈣的沉淀效率決定了它的物理性質(zhì)，那么膠結(jié)作用效果就取決于它的結(jié)構(gòu)性。影響結(jié)構(gòu)性的因素很多，顆粒粒徑大小、顆粒級配、壓實(shí)度等，本文將這些統(tǒng)一歸為孔隙率和孔隙比。

細(xì)菌是生物顆粒，大小在0.5—5μm之間，一方面，砂土中孔隙要足夠大，在反應(yīng)過程中能夠使得化學(xué)物質(zhì)充分接觸、通過，例如MICP反應(yīng)很難在粉土和粘土中進(jìn)行，揚(yáng)州大學(xué)周鋒的研究表明，在自然重力作用灌漿下，生物誘導(dǎo)物僅能在表層5～7cm范圍內(nèi)起到填充固結(jié)的效果，而另一方面，孔隙也不能太大，使得生成的碳酸鈣結(jié)晶只能起到填充作用，而無法膠結(jié)土顆粒形成結(jié)構(gòu)，增加土體強(qiáng)度。

Rebata-landa（2007）得到了一條砂土粒徑與固話樣品中碳酸鈣含量關(guān)系圖，當(dāng)顆粒約為 100 μm 時(shí)，碳酸鈣含量達(dá)到最大值。華中科技大學(xué)的崔明娟等人針對顆粒粒徑對微生物固化砂土強(qiáng)度影響也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，他們使用了三種粒徑范圍不同的砂土，分別為1.25～2.5mm，0.5～1.25mm和0.04～0.5mm，進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，顆粒粒徑對固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，對孔隙率和碳酸鈣含量影響不大。他們還指出，對于顆粒粒徑較小（顆粒級配良好）的砂土，顆粒間孔隙易被碳酸鈣晶體填充密實(shí)，獲得較大比例有效碳酸鈣，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高。

關(guān)于MICP反應(yīng)適宜的最佳孔隙率、孔隙比的資料目前較為欠缺，雖有針對不同參數(shù)，如粒徑大小，顆粒級配等的研究，但結(jié)論較為模糊，尚無一個(gè)較為明確、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，將來可考慮進(jìn)一步探索。

4.2 灌漿方式

除孔隙率孔隙比外，固化砂土的結(jié)構(gòu)性還受到灌漿方式的影響。目前常用的灌漿方式有注射法、澆灌法（滴灌法）和浸泡法。注射法應(yīng)用最廣，但易出現(xiàn)MICP分布不均的問題，可以考慮采用上文中多濃度營養(yǎng)鹽處理的方式解決。浸泡法固結(jié)均勻，但條件較為苛刻，工程應(yīng)用存在困難。滴灌法多用于混凝土裂縫填堵，澆灌法適用于污染土處理或液化砂土處理。

5 展望

到目前為止，實(shí)驗(yàn)室條件下的MICP技術(shù)已存在一定量的試驗(yàn)研究。但不同的灌漿方法要和不同的膠結(jié)溶液、菌液濃度和土體性質(zhì)相配合，才能夠達(dá)到最好的效果，這是未來的研究方向。另外，沙土介質(zhì)中微生物誘導(dǎo)封堵試驗(yàn)研究也可作為MICP技術(shù)工程實(shí)踐的重要參考，清華大學(xué)的張賀超等人指出，此領(lǐng)域目前理論研究滯后于實(shí)際應(yīng)用。在MICP中是否應(yīng)將多菌種混合、或誘導(dǎo)新品種，創(chuàng)新灌漿方式。怎樣提高固結(jié)效率，怎樣更多的進(jìn)行工程實(shí)踐、推廣，都是下一步應(yīng)該考慮的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳曉翰，李安起，王琴。微生物灌漿封堵混凝土豎向裂縫的試驗(yàn)研究。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.4。

[2]孔繁浩，趙志峰。溶液環(huán)境下微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積影響因素研究。林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，2（4）：146—151。

[3]沈吉云，程曉輝。微生物成因土工材料實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.5。

作者簡介：

王琨戈（1997年5月-），女，漢，河南省鄭州市，身份證號：410105199705160026，本科學(xué)生，城市地下空間工程

白振超（1996年1月-），男，漢，河南省鄭州市中牟縣身份證號：410122199601309814，本科學(xué)生，城市地下空間工程